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電光子情報材料学分野

教授
好田 誠
助教
輕部 修太郎
助教
(学際科学フロンティア研究所所属)張 超亮

次世代情報処理や量子情報社会の主役となる電子スピン。この電子スピンはどこまで精密に操作できるのか?を追い求め、新たな量子・スピン情報デバイスを生み出す。

 

次世代エレクトロニクスへの展開が待望されるスピントロニクス。
私たちの豊かで安全、快適・便利な暮らしは、日進月歩の進歩を遂げるエレクトロニクス機器の恩恵にあずかるところが大きいといえます。半導体素子によって電子の電荷を制御し、情報を処理することで機器をコントロールするエレクトロニクス製品は、デバイスを微細化・集積化することで発展してきました。しかし、今後さらに小型化・高速化、省エネルギー化を推進していくためには、これまでの技術に依存しない新しいデバイスの構築が必要であるとされています。そこで近年大きな関心と注目を集めているのが「スピントロニクス」と「量子技術」です。
スピントロニクスはその名の通り、電子のスピン(電子の自転によって生じる磁力)を利用するもので、電子スピンの向きを自在に制御することにより、電荷のみでは実現できない新しい機能の実現を目指すものです。電子スピンを情報処理に利用する上での大きな課題とされるのが、一度スピンの向きを揃えても時間が経てばバラバラとなるスピン緩和です。スピン情報が失われてしまう根本的な問題と言えます。好田研究室では、電子スピンの向きがバラバラにならずワルツを踊るかのように一斉に同じ方向に動く新しい原理を世界に先駆けて発表しています。この状態を利用することで電子スピンは波の性質を新たに示したり量子情報を長時間保持することができるようになり、超高速・超省エネの量子コンピュータや次世代情報処理デバイスへの応用が期待されています。

様々な半導体材料を用いて未知のスピン・量子機能の探求。
好田研究室の取り組み、そのもう一つの柱が様々な半導体材料を用いた新しいスピントロニクス機能の探求です。これまでにシリコンやGaAsなどの化合物半導体だけでなく、原子一層の厚さで電流をオン・オフできる原子層物質や酸化物などこれまでにない機能を持つ半導体材料が近年多く発見されています。この様な多彩な半導体が持つ独自の性質を明らかにすることで、スピンだけでなくバレーと呼ばれる新しい自由度などこれまでのエレクトロニクスでは未活用だった機能を生み出せる可能性があります。またスピン自体もこれまでスピンの上向きと下向きのみが活用され磁化反転などに応用されてきましたが、スピンが空間的に回転しながら伝搬することでスピンが波の性質を持つようになります。この電子スピン波は、これまでのスピンとは全く異なる性質を持つことから、現在の半導体集積回路で問題となる微細化の限界による電力消費量の急増や信号遅延の問題を解決できる切り札になる可能性があります。
これまで誰にも知られていなかった現象と、世界で初めて対峙できるのが研究の醍醐味。好田研究室が目指すのは、次世代情報処理や量子技術などの未来技術への貢献、そして夢を夢で終わらせないための努力と挑戦です。

Projects

従来のエレクトロニクスでは、実現不可能な超高速・超低消費電力デバイスを生み出す原動力、スピントロニクス

好田研究室発、新しい成果・知見に世界が注目! 夢の未来技術へまた一歩

電子が有するもうひとつの自由度「スピン」

エレクトロニクス製品の性能は、“ 頭脳”の役割を果たす「半導体」によって支えられています。半導体を用いた電子部品には、トランジスタ、ダイオード(整流器)・発光ダイオード(LED)、集積回路(IC, LSI)などがあり、携帯電話、テレビ、コンピュータなどに組み込まれていることはみなさんもご存知でしょう。
―物質はすべて原子でできており、陽子(正の電荷を帯びる)と中性子が結合した原子核のまわりを負の電荷をもつ電子が回っている―ここまでは物理の教科書のおさらいですね。これまで半導体の研究・開発は、電子の「電荷」を制御することに力点を置いてきました。つまり「正(+)/負(-)」を「0/1」に対応させて、数値計算や論理演算など高度な情報処理を担わせてきたというわけです。しかし、電子は単に負の電気(量)をもつ粒子ではありません。原子核を周回しながら、自身も回転しているのです。イメージとしては、太陽のまわりを公転しながら、自転する地球の姿を思い浮かべていただくとよいかもしれません。 この電子のスピン(電荷を持った電子の自転によって生ずる磁力)と電荷の両方を利用することで、従来のエレクトロニクスでは実現し得なかった超省電力、超高速なデバイスを創製することができます。これがスピン+エレクトロニクス=スピントロニクスです!

めざすは究極の電子スピン制御技術に基づく情報デバイスや量子技術!

電子スピンには、上向きと下向きのふたつの状態があり、この方向を自由自在に制御できれば電荷と同様に情報処理に利用することができます。しかし、言うは易く行うは難し。電子スピンの複雑な振る舞いを制するのは、とても難しく、これまで研究者たちの前に立ちはだかっていました。
好田研究室では、電子スピンの向きがバラバラとなるスピン緩和を抑制し長距離まで伝搬できる新たなスピン安定状態=永久スピン旋回状態の電気的制御に成功、またナノトランジスタ構造を用いることで電流を流すかで出スピンの向きが揃う新たな原理を発見するなど、新しい発見・知見を世界に先駆けて次々と発表しており※1、これらは、課題多き電子スピンの研究を加速させる推進力となっています。さらには学生さんも研究チームの一員として、その役割をしっかり果たしていることを付け加えておきましょう。
先端的研究への取り組みが自身を成長させる糧となり、さらには技術的突破へとつながっていく……好田研究室の取り組みは、世界、そして未来に連なっています。
※1 前者は2012年ドイツレーゲンスブルク大学と共同で行った研究で米国物理学会誌『Physical Review B』電子版に掲載、後者は2012年シュプリンガー『Nature Communications』電子版に掲載。

Topics

がんばったね、院試のあとの小休止『夏合宿』
川で泳いでリフレッシュ!

それは2年前の夏も近づいたある日、美しい海に囲まれた島からやってきた学生さんがつぶやきました。「きれいな川で泳ぎたい……」「そうだね、たまには自然を満喫したいな」―山全体が国の天然記念物に指定されるほどの自然豊かな青葉山キャンパスに研究室があること、そして、海ではなくて川? というツッコミはさておき、旅行の最大の効用は気分転換にあります。大学院入試に全力投球して、燃え尽き状態の学部4年生を励ます意味も込め、みんなでワイワイと繰り出した夏合宿。思う存分泳いだ後は、スイカ割り、バーベキュー、花火……と夏合宿のフルコース。トルコのケバブ、そしてタイのラーブと、留学生がつくるお国の味も飛び出し、食の異文化交流も。秋保(仙台市)、花山(栗原市)と続いた川をめぐるプチ旅行。もちろん今年もやります!(院試のあとで……)

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